2. Принцип работы четырех и двухтактных двс

Рабочий процесс как 4-тактных, так и 2-тактных двигателей состоит из четырех элементов – газообмена, сжатия, сгорания и расширения. Все эти элементы рабочего процесса в четырехтактных двигателях осуществляются за четыре хода поршня.

При открытом всасывающем клапане и движении поршня от ВМТ к НМТ (рисунок 3, а, линия r - а) цилиндр двигателя наполняется свежей топливно-воздушной смесью (двигатели с внешним смесеобразованием) или воздухом; этот первый ход поршня называется тактом впуска (наполнения). Всасывающий клапан закрывается с запаздыванием, после того как поршень пройдет НМТ и начнет движение к ВМТ. При движении поршня от НМТ к ВМТ (рисунок 4, б, линия а – т - с) осуществляются конец наполнения и сжатие при закрытых клапанах топливно-воздушной смеси до температуры Т_с, меньшей температуры воспламенения топлива Т_ст, (бензиновые и газовые двигатели) или воздуха до температуры Т_с, большей температуры самовоспламенения топлива Т_ст (дизели). Второй ход поршня называется тактом сжатия.

Рисунок 3. Схемы (а — г) и рабочий процесс (д) четырехтактного ДВС: 1 — цилиндр; 2 — поршень; 3, 5 — впускной и выпускной клапаны; 4 — свеча или форсунка; б — шатун; 7 — коленчатый вал

В конце сжатия происходит воспламенение топливно-воздушной смеси от электрической искры (карбюраторные, газовые двигатели) или самовоспламенение впрыснутого в цилиндр дизельного топлива (дизели). Далее поршень перемещается от ВМТ к НМТ при закрытых клапанах, осуществляются процессы сгорания с – z' – z, расширения z – b и при открытом выхлопном клапане – выхлоп b' – b (рисунок 4.1, в). Третий ход поршня называется рабочим.

Затем поршень двигается от НМТ к ВМТ при открытом выхлопном клапане, выталкиваются продукты сгорания (рисунок 4, г, линия b – r). Четвертый ход поршня называется тактом выпуска (выталкивания). В конце четвертого хода при открытом выхлопном клапане (он закрывается с запаздыванием после прохождения поршнем ВМТ) с опережением, т.е. до прихода поршня в ВМТ, открывается всасывающий клапан. Таким образом, около ВМТ какой-то период времени открыты одновременно всасывающие и выхлопные клапаны (перекрытие клапанов r' – r – n); в это время осуществляются продувка камеры сгорания цилиндра, ее интенсивная очистка от отработавших газов.

В двухтактном двигателе все четыре элемента рабочего процесса осуществляются за два хода поршня следующим образом. В начале движения поршня от НМТ к ВМТ при открытых продувочных и выхлопных окнах или клапанах (рисунок 4. а, б) происходит продувка цилиндра (удаление оставшихся продуктов сгорания и заполнение цилиндра свежим зарядом а – а'). Затем продувочные, выхлопные окна или клапаны закрываются и при дальнейшем движении поршня происходит сжатие заряда (а' - с) до Т_с < Т_ст. (в карбюраторных и газовых двигателях) или до Т_с > Т_ст (в дизелях).

Рисунок 4. - Схема (а, б) рабочий процесс (в) двухтактного ДВС: 1 – поршень; 2 – выпускные окна; 3 – выпускной патрубок; 4 – цилиндр; 5,7– продувочные клапаны; 6 - свеча или форсунка; 8 - коленчатый вал- 9; -шатун

Первый ход поршня (а–а'–с) называется тактом сжатия. В конце сжатия топливно-воздушная смесь воспламеняется от электрической искры в бензиновых и газовых двигателях, или впрыскивается дизельное топливо в цилиндр, где оно самовоспламеняется. При движении поршня от ВМТ к НМТ сначала происходит сгорание (с -z' - z), затем расширение (z - b), выхлоп и начало продувки (b'-а).

Второй ход поршня (с –z–а) называется рабочим.

В двухтактном двигателе с кривошипно-камерной продувкой роль продувочного (насоса) агрегата выполняет кривошипная камера.

Сопоставление диаграмм рабочего процесса четырехтактного и двухтактного двигателей показывает, что отличаются они только процессом газообмена, который осуществляется на небольших участках хода поршня, соответствующего основным тактам расширение и сжатия.

Продувка.

Петлевая схема газообмена (рисунок 5, а) значительно упрощает конструкцию двигателя, но при этом ухудшается качество газообмена, и возникают потери воздуха или смеси при наполнении. Петлевая схема газообмена отличается большим разнообразием конструктивного выполнения и широко применяется в двигателях различного назначения (от маломощных для мопедов и до крупных мощностью в несколько десятков тысяч киловатт для судов).

Рисунок 5. - Схемы газообмена двухтактных двигателей: а – петлевая; б – прямоточная клапанно-щелевая; в – прямоточная с противоположно движущимися поршнями; 1 – впускное окно; 2 – выпускное окно; 3 – поршень; 4 – выпускной клапан

Клапанно-щелевая обеспечивает хорошее качество газообмена (рисунок 5, б).

Прямоточная схема газообмена с противоположно движущимися поршнями (рисунок 5, в), в которой один поршень управляет впускными окнами, а другой – выпускными, обеспечивает высокое качество газообмена.

Рисунок 6. Двухтактный, двигатель с кривошипно-камерной схемой газообмена: а) наполнение кривошипной камеры свежим зарядом; б) - сжатие и продувка

Преимущество двухтактных двигателей с кривошипно-камерной схемой газообмена – простота устройства (рисунок 6). Однако при данном способе газообмена очистка цилиндра и наполнение его свежим зарядом по сравнению с другими-способами происходят значительно хуже, в результате чего уменьшается мощность и ухудшается экономичность двигателя.

Сравнение рабочих циклов четырех и двухтактных двигателей показывает, что при одинаковых размерах цилиндра и частотах вращения мощность двухтактного двигателя значительно больше. Учитывая увеличение числа рабочих тактов в 2 раза, следовало бы ожидать и увеличения мощности в 2 раза. В действительности мощность двухтактного двигателя увеличивается приблизительно в 1,5—1,7 раза вследствие потери части рабочего объема, ухудшения очистки и наполнения, а также затраты мощности на приведение в действие продувочного насоса.

К преимуществам двухтактных двигателей следует также отнести большую равномерность крутящего момента, так как полный рабочий цикл осуществляется при каждом обороте коленчатого вала (а не за два, как в четырехтактных). Существенным недостатком двухтактного процесса по сравнению с четырехтактным является малое время, отводимое на процесс газообмена. Очистка цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом более совершенно происходят в четырехтактных двигателях. Кроме того, в двухтактном двигателе температурный уровень поршня, крышки, цилиндра и клапанов выше, чем в четырехтактном.

При внешнем смесеобразовании в результате продувки цилиндра горючей смесью она частично выбрасывается через выпускные окна, поэтому двухтактный процесс применяется чаще в дизелях. Исключение составляют мотоциклетные, лодочные и другие двигатели небольшой мощности, для которых большее значение имеет простота и компактность конструкции, чем экономичность.